Arkisto

• maaliskuu 2023
• helmikuu 2023
• tammikuu 2023
• joulukuu 2022
• marraskuu 2022
• lokakuu 2022
• elokuu 2022
• kesäkuu 2022
• toukokuu 2022
• huhtikuu 2022
• maaliskuu 2022
• helmikuu 2022
• tammikuu 2022
• joulukuu 2021
• marraskuu 2021
• lokakuu 2021
• syyskuu 2021
• elokuu 2021
• kesäkuu 2021
• toukokuu 2021
• huhtikuu 2021
• maaliskuu 2021
• helmikuu 2021
• tammikuu 2021
• joulukuu 2020
• marraskuu 2020
• lokakuu 2020
• syyskuu 2020
• elokuu 2020
• kesäkuu 2020
• toukokuu 2020
• huhtikuu 2020

---

Pienten planeettojen kirjo

22.9.2022 klo 14.37, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Koostumus , Synty ja kehitys

Auringonkaltaisia ja sitä keveämpiä kääpiötähtiä kiertää tyypillisesti kourallinen pieniä planeettoja. Niistä suurin osa on kivisiä kappaleita mutta joillakin voi olla hiukan paksumpi kaasuvaippa ympärillään, jolloin ne luokitellaan ennemminkin minineptunuksiksi kuin supermaapalloiksi. Tyypillisesti on ajateltu, että planeettoja on kokonainen jatkumo kiviplaneetoista kaasuplaneettoihin, veden ja muiden yleisten keveämpien aineiden muodostaessa joko pieniä puroja niiden pinnoilla tai jopa tuhansien kilometrien paksuisia valtameriä. Mutta pohjimmiltaan kyse ei välttämättä ole vain ihmisten subjektiivisesta rajanvedosta planeettojen koostumuksen jatkumossa, vaan jopa luonto vaikuttaa tekevän selvän jaottelun kivisiin supermaapalloihin ja kaasuvaipan omaaviin minineptunuksiin. Suurin osa pienistä planeetoista todellakin on kivisiä kappaleita, joilla on vain ohut kaasukehä, tai sitten halkaisijaltaan selvästi suurempia planeettoja, joilla on paksu kaasuvaippa ympärillään. Välimuotojakin on mutta ne ovat vaikuttaneet olevan verrattaen harvinaisempia.

Ilmeisesti on niin, että jotkut pienet planeetat saavuttavat useamman Maan massan koon riittävän nopeasti, jotta muodostuvassa planeettakunnassa on vielä merkittäviä määriä kaasua jäljellä, eikä muodostuva tähti ole vielä syttynyt loistamaan kunnolla puhaltaakseen sen pois. Toiset taas muodostuvat hitaammin, eivätkä ehdi koskaan haalimaan ympärilleen merkittävää kaasuvaippaa, vaan jäävät kivisiksi supermaapalloiksi. Syntyprosessin yksityiskohdat ovat edelleen hämärän peitossa mutta havainnot tukevat ajatusta siitä, että luonto jaottelee pienet planeetat karkeasti kahteen erilliseen ryhmään. Asiaa voidaan havainnollistaa katsomalla pienten planeettojen kokojakaumaa (Kuva 1). Siinä näkyy selvästi, että noin 80% Maata suuremmat planeetat muodostavat jonkinlaisen rajan, ja sen kokoluokan planeetat ovat suhteellisesti merkittävästi harvinaisempia kuin sitä pienemmät ja suuremmat kappaleet.

Asiaan liittyy kuitenkin runsaasti kaoottisia fysikaalisia prosesseja, kuten planeettojen muodostuminen, ratamigraatio, tähden varttuminen ja säteilyolosuhteiden muuttuminen, kaasukiekon haihtuminen, ja jopa planeettojen kaasukehän poiskiehuminen. Planeettojen synnystä on kokonaisuutena vain epäsuoria havaintoja, koska emme voi seurata planeettakunnan ja sen kappaleiden kehitystä miljardien vuosien ajan vanhaksi, stabiiliksi järjestelmäksi. Kuitenkin, jo havaitsemalla tähtien ja niitä kiertävien planeettojen karkeita ominaisuuksia, voidaan tehdä hämmästyttävän pitkälle vietyjä johtopäätöksiä. Lisää tietoa on saatu viime vuosina TESS -avaruusteleskoopin havainnoista, koska sen mittaukset ovat auttaneet havaitsemaan lukuisia pieniä planeettoja aivan Auringon lähinaapurustosta, jolloin planeettojen massat ovat mitattavissa radiaalinopeusmenetelmän keinoin.

---

Pienten planeettojen koostumuksesta on julkaistu monia tutkimuksia, ja yksi omista suosikeistani tiivistää koko asian mainiosti yhteen erittäin informatiiviseen kuvaajaan (Kuva 2.). Vaikuttaa tosiaan siltä kuin pienet planeetat olisivat jaoteltuina kahteen joukkoon, joiden välinen raja on jossakin karkeasti kahden Maapallon halkaisijan kohdalla. Niistä pienemmät koostuvat Maan tapaan lähinnä rautaytimestä, jota ympäröi silikaateista muodostunut paksu vaippa. Pinnalla saattaa esiintyä vettä ja sitä saattaa peittää kaasukehä mutta niiden kummankaan kokonaismäärä ei kata merkittävää osuutta planeettojen massasta. Tällaisia maankaltaisia kiinteän pinnan omaavia kiviplaneettoja näyttää voivan muodostua helposti erisuuruisina mutta niiden absoluuttinen yläraja on noin kymmenen Maan massan ja kahden Maan halkaisijan kokoluokassa. Sitä suuremmat kappaleet vetävät oman vetovoimansa avulla ympärilleen runsaita määriä kaasua eivätkä siten voi olla kiinteitä pinnaltaan.

Toiseen joukkoon kuuluvat planeetat, joiden koostumuksesta valtaosa on keveämpiä aineksia, kuten vettä ja muita helposti haihtuvia yhdisteitä. Sellaisia planeettoja ovat esimerkiksi hyseaaniset planeetat, joiden tuhansien kilometrien paksuista valtamerivaippaa peittää pääasiassa vedystä ja heliumista koostuva kaasukehä. Valtameriplaneettoja voi olla niitäkin useassa eri kokoluokassa, mutta niiden on arvioitu olevan massaltaan tyypillisesti jotakin kolmesta pariinkymmeneen Maan massaa. Kooltaan ne voivat olla peräti kolme kertaa omaa planeettaamme suurempia, mikä tekee niistä lähes yhtä suuria kuin Aurinkokunnan jääjättiläiset Uranus ja Neptunus.

Mutta tiedoissamme on puutteita. Eniten häiritsee havaittujen säteen ja massan suuret epävarmuudet. Pienten planeettojen ylikuluista on hankalampaa mitata planeetan koko, jos planeetta on valtavasti tähteä pienempi ja aiheuttaa vain vajaan promillen himmenemisen tähdestä havaintolaitteisiimme saapuvaan valoon. Planeettojen punnitsemisessa on sama ongelma. Massan voi määrittää sitä luotettavammin, mitä enemmän planeetta heilauttaa tähteään vetovoimansa avulla — mitä suurempi tähti on massaltaan, sitä enemmän se voi vastustaa planeetan vetovoimavaikutusta. On siis viisainta tutkia pienempien, keveiden tähtien planeettoja, koska niistä saadaan tarkempia mittauksia. Punaiset kääpiötähdet ovat juuri sopivia kohteita mutta ne ovat kiitollisia havaintokohteita myös siksi, että niiden kiertoradoilla on runsain mitoin pieniä planeettoja. Siksi voimme tutkia tarkemmin niiden planeettojen koostumuksia, jotka kiertävät punaisia kääpiöitä.

Koska planeettojen koon ja massan mittaaminen on vaikeaa, planeettojen yleisten ominaisuuksien tutkiminen saattaakin olla helpompaa, jos jättää tarkastelun ulkopuolelle kaikki ne planeetat, joiden ominaisuudet ovat liian epätarkasti tiedossa. Tulokset punaisia kääpiötähtien planeettojen ominaisuuksista ovat silloin suorastaan hämmentävän selkeitä. Planeetat näyttävät nimittäin jakautuvan kolmeen selvärajaiseen luokkaan: kivisiin maankaltaisiin planeettoihin, vetisiin meriplaneettoihin, ja kaasuvaipan omaaviin minineptunuksiin (Kuva 3.). Parhaiten jaottelua määrittävänä tekijänä näyttää toimivan planeetan keskitiheys — massa ja säde eivät mahdollista vastaavaa selkeää jaottelua, koska esimerkiksi noin kahden Maan säteen planeetta saattaa kuulua mihin tahansa kolmesta planeettojen tyypistä riippuen sen massasta.

• 

• 

Mikä voi olla syynä kolmeen selvään planeettojen luokkaan pienten tähtien kiertoradoilla? Vastauksen tarjoaa planeettojen muodostumisprosessi, ja lopputuloksen riippuvuus lämpötilasta ja prosessin nopeudesta. Lähellä tähteä planeettojen rakennusaineena toimivat pölyhiukkaset koostuvat kuumuutta kestävistä silikaateista ja metalleista kuten raudasta, ja siksi maankaltaiset planeetat heijastavat tätä alkuperäisen aineksen koostumusta. Koska kuumuus saa helpommin haihtuvat aineet kaasumaiseen muotoon, niitä ei kasaudu syntyvien planeettojen vaippaan merkittäviä määriä. Hiukan kauempana tähdestä, niin kutsutun ”lumirajan” takana, jo tavallinen vesi muodostaa kiinteitä jääkiteitä. Jää toimii planeettojen rakennusaineena näillä kaukaisemmilla etäisyyksillä, ja muodostuvat planeetat koostuvatkin pääosin vedestä. Jotkut planeetoista kuitenkin onnistuvat haalimaan itselleen niin paljon massaa, yli 10 Maan massan verran, että ne keräävät nuorta tähteä vielä ympäröivästä kertymäkiekosta kaasuvaipan itselleen, ja muuntuvat samalla minineptunuksiksi. Sellaisten muodostuminen on mahdollista vain planeettojen synnyn ollessa nopeaa ja sen tapahtuessa hyvissä ajoin ennen kuin kunnolla loistamaan syttyvä tähti entii puhaltamaan kaasun pois ympäriltään.

Planeetat siis näyttävät syntyvän hyvinkin yksinkertaisten reunaehtojen sisällä ja päätyvät hyvin erilaisiksi ominaisuuksiltaan ja koostumukseltaan vain hyvin yksinkertaisten tekijöiden vaikutuksesta. Mutta niiden jaottelu kolmeen karkeaan luokkaan luultavasi kuvastaa vain yhtä karkeaa luokittelua, jota koetamme tiedonjanossamme tehdä tarkastellessamme kaoottisen luonnon muovaamaa valtaisaa kappaleiden kirjoa. Ei ole sattumaa, että oman olemassaolomme ehto, vesi, on myös merkittävä tekijä eksoplaneettojen muodostumisessa. Merkittävää on kuitenkin se, että kykenemme havaitsemaan lähitähtien planeettoja luokitteluun ja syntyhistorian selviämiseen riittävällä tarkkuudella. Samalla selviää omakin paikkamme maailmankaikkeudessa, jossa seilaamme Auringon gravitaatiokaivon vankeina yhdellä pienellä kivisellä, biosfäärin peittämällä avaruusaluksellamme nimeltään planeetta Maa.

---

Suurin tieteellinen havainto

7.9.2022 klo 09.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat

Jos kävelee kirkkaana yönä taivasalle jossakin kaukana ihmiskunnan niin innokkaasti taivaalle heijastamasta keinovalosta ja kohottaa katseensa ylös, voi tehdä merkittävän tähtitieteellisen havainnon. Taivaalla voi näkyä jopa satoja pieniä valopisteitä, kuin pieniä reikiä taivaankannessa, jotka loistavat ja lähettävät meitä kohti näkyvää säteilyään kymmenien valovuosien päästä. Tähtien sijainteja taivaalla voi tarkastella suhteessa toisiinsa, ja ihmisaivoilla onkin ollut kautta historian tapana projisoida merkityksiä taivaankannella aikalailla satunnaisesti sijaitsevien tähtien kuvioihin. Paljaalla silmällä voi jopa nähdä miten eri tähdet poikkeavat väriltään aavistuksen verran toisistaan. Se kertoo osaltaan niiden lämpötiloista ja siten koosta ja tyypistä, mutta kovin tarkkaa informaatiota ei voi saada ilman tähtitieteellistä havaintolaitteistoa.

Ajattelemalla asiaa hiukan pidemmälle, voi kuitenkin havaita, että tähdet ovat lopultakin melkoisen harvassa taivaankannella, ja niiden väleissä on suuria määriä mustaa taivasta, joka kuvastaa tyhjää tähtienvälistä avaruutta. Jos avaruus on äärettömän suuri ja staattinen, voimme valita taivaalta minkä tahansa pisteen ja juuri siinä suunnassa, ehkäpä vasta jossakin suunnattoman kaukana, vastaan tulee tähden pinta. Saman ilmiön voi havaita mainiosti suomalaisessa talousmetsässä, josta muu luonto on tyypillisesti raivattu ja katse kohtaa puunrungon missä tahansa suunnassa, jos vain metsä on riittävän suuri. Mutta emme näe tähden pintaa jokaisessa pisteessä taivasta, koska silloin koko taivas näyttäytyisi kirkkaana kuin Auringon pinta. Sen sijaan, näemme sen pääasiassa kuin mustana kankaana, jota täplittävät pistemäiset yksittäiset tähdet ja katseemme ei kohtaa kirkasta tähden pintaa missä tahansa suunnassa. Jokin oletuksista on siis pielessä.

On mahdollista, että avaruus ei ole ääretön ja tähtiä on siksi vain hyvin rajallinen määrä. Toinen yksinkertainen vaihtoehto on se, että universumi ei ole ollut olemassa aina, ja siksi valo ei ole vielä ehtinyt saapua meille asti mielivaltaisen kaukaa. Oikeasti todellisuus on tietenkin paljon kompleksisempi ja laajeneva maailmankaikkeus esimerkiksi punasiirtää kaukaisten kohteiden valoa pois näkyvän valon aallonpituuksilta. Vaan se ei ole koko selitys. Tähän pimeän taivaan ongelmaksikin kutsuttuun Olbersin paradoksiin on selkeinpänä ratkaisuna se, että maailmankaikkeus ei ole äärettömän vanha ja näkyvä maailmankaikkeus ei siksi ole äärettömän suuri. On kuitenkin mahdollista tehdä vieläkin suurempia tieteellisiä havaintoja, jos vain ajattelee tarkasti näkemäänsä.

---

Seisoessaan tähtitaivaan alla, voi helposti jättää huomiotta, että kiinteä maankamara jalkojen alla on avaruuden halki kiitävän pallon pinta. Koko elonkirjo, ihmislaji mukaan lukien, on syntynyt ja kehittynyt kivisen planeetan geokemiallisista prosesseista, jotka monimutkaistuivat ja joista lopulta syntyi tehokkaasti itseään kopioivia biokemiallisia järjestelmiä. Prosessiin tarvittiin liuottimeksi vettä ja rakennusaineksi orgaanisia yhdisteitä, joiden tunnusomainen piirre ovat hiiliatomien muodostamat pitkät ketjut. Tarvittiin lisäksi jokin paikka, jossa ainekset voisivat vuorovaikuttaa rauhassa — kivisen planeetan vetinen pinta tarjoaa siihen loistavat olosuhteet, kun prosessille annetaan vain tarpeeksi aikaa. Elämän syntyyn planeettamme pinnalla kului korkeintaan vain muutamia satoja miljoonia vuosia, ja sen jälkeen evoluution lainalaisuudet ovat kontrolloineet prosessia tuottaen hiljalleen aina vain ihmeellisimpiä ratkaisuja biokemiallisten koneiden itsensä ylläpidon ja kopioinnin kohtaamiin haasteisiin. Ilmiselvästi planeetan olemassaolo oli kuitenkin edellytys elämän synnylle ja meidänkin olemassaolollemme. Voimme siten varmistua, että ilman planeettoja ei olisi elämää, emmekä olisi täällä ihmettelemässä asiaa.

Planeetat taas eivät voisi olla olemassa, ellei niitä syntyisi tähtien synnyn sivutuotteena, prosessin ylijäämämateriasta, joka ei päädy osaksi tähden ydinmiilua ja sen ytimen helvetillistä kuumuutta ja valtaisaa painetta. Meidän on siis välttämättä elettävä universumissa, jossa tähtien synty ja vakaa loiste ovat mahdollisia. Se taas tuo mukanaan rajoitteita sille, minkälaiset fysikaalisen maailman lainalaisuudet voivat kontrolloida asuttamaamme maailmankaikkeutta. Atomien on oltava stabiileja ja niitä on oltava riittävän montaa erilaista, jotta ne vuorovaikuttavat riittävän monipuolisesti tuottaakseen elämän esiintymisen vaatiman kemian. Ja maailmankaikkeuden on oltava riittävän pitkäikäinen, jotta tähtiä ja planeettoja ylipäätään ehtii syntyä elämää ylläpitämään. Kaikki nämä reunaehdot tietenkin täyttyvät, koska me olemme olemassa. Päättelyä kutsutaan antrooppiseksi periaatteeksi, joka on todellisuudessa vain valintaefekti — voimme havainta vain sellaisen universumin, jossa elämää on voinut syntyä, koska muutoin emme olisi tekemässä siitä havaintoja.

Voidaan kuitenkin mennä vieläkin pidemmälle, ja jotkut ovat menneetkin. On esitetty jopa ”osallistuvaa antrooppista periaatetta”, jonka mukaan maailmankaikkeuden voi katsoa olevan merkityksellisesti olemassa vain, jos joku tekee siitä havainnon. En voi kuitenkaan hyväksyä sellaista ajatusta, että vain niiden asioiden voidaan katsoa olevan olemassa, joita joku on havaitsemassa. Silloinhan minun omasta subjektiivisesta näkökulmastani katsottuna koko maailmankaikkeus katoaa ja lakkaa olemasta muodostuen aina uudelleen täsmälleen samanlaiseksi, kun vaikkapa räpäytän silmiäni, enkä ole tekemässä näköhavaintoja siihen kuluneen sekunnin murto-osan aikana. Subjektiivisuus on kyllä sisäänrakennettuna kaikkeen havaitsemiseen, kaikkeen tieteeseen ja tutkimukseen, mutta ei ole silti järkevää asettaa omaa havaintoaan erityislaatuiseen asemaan ja ajatella universumin tanssivan yksittäisen ihmisen kokemuksen mukaan. Maailmankaikkeus on jo kopernikaanisen periaatteen mukaan samanlainen kaikkialla, ja aivan riippumatta siitä, onko kaikkialla jatkuvasti havaitsijoita varmistamassa asiaa.

Varmaa on silti se, että maailmankaikkeuden rakenteen on oltava yhteensopiva sen tosiasian kanssa, että sen sisällä on muodostunut eläviä, ympäristöään havaitsemaan kykeneviä organismeja. Elämän olemassaolon ja esiintymisen on oltava mahdollista pienen keltaisen tähden kiertoradalla. Hiilen ja hapen ja monien muiden atomien on voitava muodostua maailmankaikkeuden erilaisissa prosesseissa. Samoin esimerkiksi ajan ja avaruuden on oltava olemassa, jotta voi olla se maailmankaikkeudeksi kutsuttu areena, jonka pienen nurkkauksen näyttämöllä näennäisen merkityksettömät biologiset syklimme esiintyvät. Niin on oltava, koska olemassaolomme osoittaa, että ei ole mitään muutakaan vaihtoehtoa.

---

Mutta asiaan liittyy paljon enemmän. Maailmankaikkeuteme noudattaa tietynlaisia sääntöjä, jotta se ylipäätään voi olla havaitunlainen (Kuva 1.), ja voimme ymmärtää niistä ainakin joitakin fyysikoiden ja muiden tieteilijöiden periksiantamattoman työn tuloksena. Samojen lainalaisuuksien taas on oltava voimassa muuallakin maailmankaikkeutemme sisällä, koska on epätodennäköistä, että juuri me olisimme pienessä poikkeavien luonnonlakien kuplassa ja siten erityisasemassa. Voimme siksi vetää sen johtopäätöksen, että elämää, älykkäitä organismeja ja teknisiä sivilisaatioita voi muodostua varsin mainiosti muuallakin maailmankaikkeudessamme.

Antrooppisen periaatteen kontekstissa yöllinen tähtitaivaan tarkkailu voi saada aivan uudenlaisen ulottuvuuden. Sadoista taivasta täplittävistä tähdistä likimain jokaisella on seuranaan monipuolinen planeettojen ja pienempien kappaleiden järjestelmä. Niistä taas jotkin ovat vääjäämättä sopivia maailmoja elävien organismien synnylle, kehittymiselle ja kukoistamiselle. Ehkäpä jollakin niistä on kiertoradallaan biosfäärin peittämä, elollinen planeetta, jonka pinnalla jokin älykäs orgamismi katsoo meidän laillamme taivaalle pohtien sitä suurinta mahdollista tieteellistä havaintoa, että on itse olemassa. Olisihan se valtaisaa kosmista tuhlausta, jos olisimme ainoa tähtitaivasta havaitsemaan kykenevä laji.